郭恬 高志強

[摘要]糧食安全關乎民生和國家安全，“藏糧于地，藏糧于技”是維護我國糧食安全的基本戰(zhàn)略。其中“藏糧于技”必須通過科技創(chuàng)新解決當前農業(yè)生產中的難題，提高糧食生產領域的科技貢獻率。同時，必須前瞻性地加速數(shù)字農業(yè)建設、精準農業(yè)實踐和智慧農業(yè)探索，奠定我國糧食生產領域生態(tài)智慧農業(yè)的基礎。

[關鍵詞]農業(yè)科技創(chuàng)新;數(shù)字農業(yè);精準農業(yè);智慧農業(yè)

中圖分類號：S15文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202003

進入新世紀，我國農業(yè)的主要矛盾已經(jīng)從糧食總量不足轉變?yōu)榧Z食結構性矛盾，糧食安全形勢依舊相當嚴峻。無農不穩(wěn)、無糧則亂，糧食安全事關基本民生和國家安全。中國農業(yè)面臨“四面夾擊”的困局，主要表現(xiàn)在農產品價格居高不下、生產成本增加、農業(yè)補貼政策逼近WTO約束“黃線”、資源環(huán)境亮起了“紅燈”，中國農業(yè)面臨著前所未有的嚴峻形勢。農業(yè)現(xiàn)代化是一個不斷創(chuàng)新不斷完善的動態(tài)發(fā)展過程，當代中國必須走產出高效、產品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好型現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展道路。目前，黨和國家全力推進數(shù)字農業(yè)建設和精準農業(yè)實踐，中國農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向應該是兼具生態(tài)思維和人工智能的生態(tài)智慧農業(yè)。

1 加速農業(yè)科技創(chuàng)新

農業(yè)科技創(chuàng)新是由農業(yè)科技創(chuàng)新體系研發(fā)的科技創(chuàng)新成果，再通過農業(yè)科技推廣體系應用于農業(yè)生產，提升農業(yè)科技貢獻率，推動農業(yè)生產水平提升。我國的農業(yè)科技創(chuàng)新體系，包括涉農高等院校、農業(yè)科研機構和社會力量，高等農業(yè)院校、中國農業(yè)科學院、省級農業(yè)科學院、地市級農業(yè)科學研究所是農業(yè)科技創(chuàng)新的主力軍，現(xiàn)代農業(yè)企業(yè)、農民專業(yè)合作社等社會力量也參與農業(yè)科技創(chuàng)新，為農業(yè)生產提供新品種、新技術、新材料、新工藝、新模式，全面提升農業(yè)生產的科技貢獻率。種質資源應用基礎研究涉及面廣，包括種質資源保存技術、遺傳多樣性與遺傳演化、種質資源精準評價、優(yōu)異基因資源挖掘、優(yōu)異種質創(chuàng)新利用等[1]。農業(yè)科技創(chuàng)新體系培育的新品種在生產方面發(fā)揮了極大的作用，目前新品種選育引入市場機制，現(xiàn)代農業(yè)企業(yè)在這方面發(fā)揮的作用越來越大。面向現(xiàn)代作物生產，作物栽培學與耕作學領域的專家，為糧食生產提供了大量新技術、新模式、新工藝，實現(xiàn)糧食豐產、優(yōu)質、增效。農業(yè)新材料的研發(fā)在整個農業(yè)科技創(chuàng)新過程中相當重要，研發(fā)過程順應新材料信息化、智能化、低碳、高循環(huán)、綠色等發(fā)展趨勢，有效推動了特色資源新材料的可持續(xù)發(fā)展[2]。此類新材料具有更好的工作性能，同時也順應了現(xiàn)代農業(yè)的生態(tài)化發(fā)展趨勢。

2 加速數(shù)字農業(yè)建設進程

數(shù)字農業(yè)依托農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術、農業(yè)遙感技術采集、積累農業(yè)大數(shù)據(jù)資源，奠定精準農業(yè)、智慧農業(yè)的農業(yè)大數(shù)據(jù)資源基礎。

大數(shù)據(jù)是相對傳統(tǒng)的計算機數(shù)據(jù)而言的，具有數(shù)據(jù)體量巨大、更新速度快、數(shù)據(jù)真實可靠、多樣化、低價值密度和高應用價值等特點。農業(yè)大數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)農業(yè)領域采集的大數(shù)據(jù)資源，包括資源環(huán)境大數(shù)據(jù)、農業(yè)生物大數(shù)據(jù)和農業(yè)生產經(jīng)營大數(shù)據(jù)。通過融合農業(yè)的地域性、周期性等自身特征，收集、鑒別、標識各類有用數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常難以應用普通方法得以處理。對此，要進行數(shù)據(jù)歸類，并且建立數(shù)據(jù)集，通過更為復雜的高標準模型與參數(shù)來系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)、優(yōu)化組合類型，把系統(tǒng)多樣、極為復雜的數(shù)據(jù)簡化，使之更利于處理與分析，標準化的數(shù)據(jù)更方便決策者做出農業(yè)決策，并可以實現(xiàn)農業(yè)生產過程中的部分自動化控制與操作。農業(yè)信息化是一個動態(tài)的概念，是在農業(yè)領域充分利用信息技術的方法、手段和最新成果的過程。農民需要測量和了解諸多數(shù)據(jù)，如天氣數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、土壤細節(jié)、種子、化肥和作物藥劑等，這些數(shù)據(jù)與他們的耕作質量與產量關系密切。獲得數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)按照一定的關系模型歸類，并對這些數(shù)據(jù)進行分析與整理，再進一步整理出有序、有效的數(shù)據(jù)對土地進行短期模擬和長期管理，在模擬與管理期間嚴格按照分析的優(yōu)化組合方法種植，以期實現(xiàn)農作物產量和利潤的最大化。除農戶外，有關農業(yè)工具制造商、種子和肥料以及藥劑的供應商也對這些數(shù)據(jù)有很大的需求，通過采用專業(yè)算法，使數(shù)據(jù)轉化為生產力，得出標準化的參數(shù)，從而制造出最實用的農業(yè)工具，構造農業(yè)生產分析決策平臺，為農民提供盡可能優(yōu)化的解決方案和服務。

近年來，農業(yè)傳感技術和農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(fā)展，智能溫室已具有很成熟的技術體系，大田物聯(lián)網(wǎng)也開始發(fā)揮作用。農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已初步形成以多樣化的農業(yè)傳感器、網(wǎng)絡互聯(lián)和智能信息處理系統(tǒng)等共性關鍵技術研究為重點，以采集和積累農業(yè)資源環(huán)境、農業(yè)生產過程、農業(yè)設備設施、農業(yè)生物等大數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)以農業(yè)機械裝備作業(yè)調度和自動控制、遠程監(jiān)控農業(yè)生產過程和農產品質量全程追溯、服務平臺集成、標準體系制定等方面為重要應用發(fā)展領域的新興產業(yè)格局[3]。采用這種新興的系統(tǒng)獲取各類信息，經(jīng)過傳感器數(shù)據(jù)分析可斷定土壤適合栽培的作物種類，采用氣候環(huán)境傳感器能夠實時收集作物成長環(huán)境數(shù)據(jù)，通過自動分析得出具體的適宜氣候條件，從而實現(xiàn)科學栽培。農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的構成與多個領域、多種技術緊密聯(lián)系，是新一代信息技術在農業(yè)領域的高度集成和綜合運用，對我國農業(yè)信息化發(fā)展具有重要引領作用，改變了傳統(tǒng)農業(yè)生產方式，促進農業(yè)向智能化、精細化方向轉變[4]。但由于需要以硬件設備的投資和聯(lián)網(wǎng)為基礎，因此投資額較大，在普通農戶種植過程中推廣仍存在問題，目前主要用于設施農業(yè)生產過程的管理和操作。

遙感技術利用人造衛(wèi)星、飛機等運載采集數(shù)據(jù)信息的遙感器，對田間種植情況與區(qū)域分布進行整體識別，利用高分辨率傳感器，采集地面空間分布的地物光譜反射或輻射信息。還可以在不同的作物生長期內實施全面監(jiān)測，根據(jù)數(shù)據(jù)進行空間定性、定位分析，為選擇農作物的種植種類與規(guī)模提供大量有效信息[5-6]。農業(yè)遙感技術具有廣闊的應用空間，包括農作物長勢監(jiān)測、種植面積遙感監(jiān)測、遙感估產、病蟲害遙感監(jiān)測、土地資源利用情況遙感監(jiān)測、農業(yè)災害遙感監(jiān)測等領域。GIS能監(jiān)測農田土壤養(yǎng)分、水分、蟲害等的變化情況，根據(jù)獲取的農田信息的實際情況繪制地形圖、農田信息分布圖，制定施肥、噴灑農藥、灌溉等科學管理方案，做出田間的智能決策[7]。GPS即全球定位系統(tǒng)，簡單來說它是由24顆覆蓋全球的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，在農業(yè)生產中通?？梢岳肎PS進行土壤養(yǎng)分調查、分布區(qū)域調查等，取得大量的信息與數(shù)據(jù)資源，為田間精確管理和農作物增產提供可行的方式。

3 推進精準農業(yè)探索實踐

精準農業(yè)也稱為精確農業(yè)，核心在于“精準”二字，摒棄傳統(tǒng)農業(yè)的粗放式作業(yè)和模糊式經(jīng)營，積極開展精準農業(yè)實踐探索，是當代農業(yè)科技工作者的肩頭重任。國外學者將農業(yè)時代的傳統(tǒng)農業(yè)稱為農業(yè)1.0，將工業(yè)時代的機械化集約農業(yè)稱為農業(yè)2.0，將基于資源節(jié)約、環(huán)境友好和投入品高效利用的精準農業(yè)稱為農業(yè)3.0，將基于人工智能的未來智慧農業(yè)稱為農業(yè)4.0。農業(yè)3.0是正在探索的精準農業(yè)，重視資源節(jié)約和環(huán)境友好，關注投入品的使用效率和效益。

所謂精準農業(yè)，是以信息技術為支撐，根據(jù)空間變異，定位、定時、定量地實施農事操作與管理的農業(yè)生產管理體系。精準農業(yè)是以農業(yè)資源環(huán)境本底數(shù)字信息資源為基礎，根據(jù)農業(yè)生物生長發(fā)育需求，精量、準確使用農業(yè)投入品，實現(xiàn)資源節(jié)約、環(huán)境友好和資源高效利用。精準農業(yè)目標狀態(tài)，可以概括為營養(yǎng)供給精量化、環(huán)境控制精準化、過程控制精細化、農事作業(yè)高效化。

在營養(yǎng)供給精量化方面，植物生產應根據(jù)土壤養(yǎng)分供給情況和農業(yè)植物的需求情況，研發(fā)精準播種、精準施肥、精準灌溉、水肥一體化技術等。養(yǎng)殖領域則應研發(fā)根據(jù)動物生長發(fā)育階段的差異化配方和差異化日糧標準，或研發(fā)能自動生成個性化配方及日糧標準的專家系統(tǒng)。

當環(huán)境因子處于生物需要的最適狀態(tài)時，生物生長發(fā)育就能達到最佳狀態(tài)，從而達到高產、優(yōu)質的目標，實現(xiàn)環(huán)境控制精準化，并在智能溫室和設施養(yǎng)殖方面得到較為充分的應用。通過農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境控制精準化，智能溫室可將溫度、濕度、光照等環(huán)境要素控制在植物生長發(fā)育的最佳范圍。露地生產依托傳感技術、遙感技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和地理信息技術，實施基于環(huán)境狀態(tài)精準調控的農藝措施。

任何生物在不同生長發(fā)育階段，對環(huán)境條件和營養(yǎng)供給的要求都不同，過程控制精細化就是根據(jù)生物生長發(fā)育進程和資源環(huán)境要素的動態(tài)變化，實時生成基于精細化過程控制的農藝措施并自動實施，同時根據(jù)實施效果的實時監(jiān)測情況，實施隨動精準化調控優(yōu)化方案。

目前，農事作業(yè)高效化主要從以下三個方向開展研究與實踐：一是輕簡化栽培，適當減少效率較低的農事作業(yè)，既可以降低農業(yè)生產的勞動消耗，又能減輕對農業(yè)生物的物理損傷。二是靶標化作業(yè)，害蟲防治領域的靶標施藥可省工、省藥，提高防治效果，靶標施肥也是精準農業(yè)的重要研究方向。三是農事作業(yè)一體化，基于滴灌設施的水肥一體化技術已基本成熟，播種覆膜一體化作業(yè)的農業(yè)機械也已推廣[8]。

4 生態(tài)智慧農業(yè)前景展望

人工智能將不斷改變人類的生產行為和生活方式，能夠給農業(yè)生產和農業(yè)現(xiàn)代化賦予巨大能量，展現(xiàn)了未來智慧農業(yè)的美好圖景。機器學習和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的深度學習，使計算機具備了類似人類的學習能力;語音識別、視覺識別、自然語言處理使計算機具備了一定的交流互動能力;依托數(shù)學模型、專家系統(tǒng)、機器推理和多層感知器技術，計算機的形象思維和邏輯思維已表現(xiàn)出較高水平，計算機的創(chuàng)新思維能力方面的研究也取得了一些基礎性成果;機器的自主決策能力提供了多樣化的實現(xiàn)途徑，遠程控制和自動控制是目前的應用領域，未來的機器人將具備完全獨立的自主作業(yè)和自主行為能力，類似于具有完全民事行為能力的社會人。從感知智能到認知智能，進而發(fā)展到通用智能，體現(xiàn)著從弱人工智能到強人工智能發(fā)展的基本技術路線和研發(fā)實踐。智慧農業(yè)領域的農業(yè)機器人可能具有多樣化的表現(xiàn)形式，主流方向應該是研發(fā)面向專項任務的多樣化智能機器。

生態(tài)智慧農業(yè)就是高度體現(xiàn)生態(tài)思維和人工智能的現(xiàn)代農業(yè)新范式，遵循客觀事物的變化發(fā)展規(guī)律，農業(yè)發(fā)展演化過程也是一種從低級到高級的遞進式發(fā)展過程，未來發(fā)展是在現(xiàn)有成果基礎上的提升或升級。目前，設施農業(yè)、生態(tài)農業(yè)、循環(huán)農業(yè)、多功能農業(yè)等領域已取得了很多優(yōu)秀成果，數(shù)字農業(yè)建設、精準農業(yè)實踐、智慧農業(yè)探索也初具規(guī)模，未來農業(yè)發(fā)展不可能只考慮某一方面的因素，而應該整合基于現(xiàn)代信息技術支撐的智慧農業(yè)，與基于可持續(xù)發(fā)展理念和生態(tài)思維的生態(tài)農業(yè)，走生態(tài)智慧農業(yè)發(fā)展道路。

5 結 論

“藏糧于技”的實施策略，不僅依靠傳統(tǒng)的農業(yè)科技創(chuàng)新體系，為現(xiàn)代糧食生產提供新品種、新技術、新工藝、新材料、新模式，為國家糧食安排提供技術支撐和技術儲備，更重要的是，還要主動適應“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的最新發(fā)展格局，全面推進數(shù)字農業(yè)建設，夯實現(xiàn)代農業(yè)的大數(shù)據(jù)資源基礎。同時要加速精準農業(yè)探索實踐，堅持資源節(jié)約、環(huán)境友好的農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展方向，在人工智能技術迅速發(fā)展的新形勢下，加速智慧農業(yè)的共性關鍵技術研發(fā)，融合生態(tài)思維與人工智能，探索生態(tài)智慧農業(yè)核心技術和運行模式。

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